阻燃用聚酯纖維的性能及其紡紗工藝探究

楊童童，李世君，劉 峰，賈君君，李 娜，雷青松

(中國石化儀征化纖有限責任公司研究院，江蘇儀征 211900)

隨著織物燃燒引起火災的問題越來越嚴重，世界各地因紡織品燃燒造成的人員傷亡和經濟損失更是不計其數[1]。因此，阻燃紡織品的開發顯得至關重要，紡織品阻燃性能的獲得，可歸納為三種方法[2]：一是直接生產阻燃纖維；二是對紡織品進行阻燃后整理；三是根據生產中的實際需求，把前兩種方法結合起來生產阻燃紡織品。目前我國生產和使用最多的是對織物進行后整理達到阻燃效果的紡織品, 但這種方法制得的阻燃紡織品的阻燃性能會隨時間和洗滌次數的增加而逐漸降低或消失，而且對織物的色光、手感和強度都有一定的影響。而由阻燃纖維制成的紡織品具有永久阻燃性且幾乎不影響織物風格。阻燃聚酯纖維可廣泛應用于汽車、火車、輪船、飛機、賓館等室內裝飾布、窗簾布、床罩、箱包面料、汽車地毯以及阻燃防護工作服等[3-10]。本文通過對阻燃聚酯纖維性能及其紡紗試驗工藝的分析和探究，討論了蓋板速度、粗紗捻系數和細紗捻度對紡紗試驗運行和成紗質量的影響。并對紡紗試驗過程進行了跟蹤探究，對本類產品的紡紗試驗進行工藝優化，從而對后期該類產品的紡紗試驗生產起到一定的指導作用。

1 試 驗

1.1 試驗材料

采用儀化阻燃滌綸短纖維，1.56 dtex×38 mm，該試驗樣品在恒溫恒濕(溫度為23 ℃，相對濕度為60%RH)的條件下平衡24 h后備用。

1.2 試驗儀器和設備

清梳聯設備，TC5型，德國特呂茨施勒公司；并條機，TD8型，德國特呂茨施勒公司；粗紗機，DSro-01型，天津嘉誠有限公司；細紗機，DSSP型，天津嘉誠有限公司；縷紗測長儀，YG086型，常州市第二紡織儀器廠；全自動單紗強力儀，YG063T型，陜西長嶺紡織機電科技有限公司；條干儀，ME100型，烏斯特技術有限公司；摩擦儀，USTER ZWEIGLE 5型，烏斯特技術有限公司。

1.3 阻燃聚酯短纖維紡紗試驗及其工藝

1.3.1 梳棉工序試驗

通過人工鋪棉、傳送帶喂入的方式，將阻燃滌綸短纖維均勻地鋪在梳棉機上，由于阻燃滌綸短纖維膨脹性較大，纖維間抱合力較小，設定梳棉工序工藝時需合理控制棉量，既要充分梳理，又不能過多損傷纖維，而且要便于轉移，不能使纖維反復揉搓產生棉結。所以在設計工藝時，錫林和刺輥速度都不宜太快，適當調整隔距，設置蓋板速度為160、180、200、220和240 mm/min，探討蓋板速度對棉條產品質量的影響。其他具體工藝參數見表1。

表1 梳棉工藝試驗參數

1.3.2 并條工序試驗

由于阻燃滌綸短纖維膨脹性較大，與金屬機件摩擦阻力大，條子易堵管與纏輥，并條工序采用“低速度、重加壓、輕定量、大隔距”的工藝原則，采用并條機兩道并合，合理設置牽伸倍數，一并和二并均采用8根并合，使纖維得到良好的平行度和伸直度，消除彎鉤纖維，保證條干均勻。具體并條工藝參數如表2所示。

表2 并條工藝試驗參數

1.3.3 粗紗工序試驗

粗紗工序采用DSro-01型數字式小樣粗紗機進行試驗，粗紗工序采取“輕定量、大隔距、重加壓、低錠速”的工藝原則。錠翼設定轉速為500 r/min，此次試驗樣品在紡制粗紗過程中的阻力較大，為減小在紡制過程中的阻力，設定總牽伸倍數為9.1倍，后區牽伸倍數較小為1.3倍。在滿足粗紗須條緊密度的前提下，又要保證細紗容易牽伸，避免細紗斷頭現象，設定粗紗捻系數分別為55、60、65、70、75和80，研究粗紗捻系數對粗紗質量和成紗性能的影響。粗紗試驗過程牽伸順利，成形良好。具體粗紗工序工藝參數如表3所示。

表3 粗紗工序工藝試驗參數

1.3.4 細紗工序試驗

細紗工序采用DSSP型數字型小樣細紗機進行細紗試驗，在細紗牽伸過程中，保持牽伸力和握持力兩者之間的平衡，使纖維有規律的向前運動，形成均勻的紗條。由于前區牽伸控制較強，即設定總牽伸倍數為27.2倍。為了有效控制后區纖維的運動，降低牽伸不勻率，減少成紗細節，提高紗線條干均勻度，設定較小的后區牽伸倍數為1.18倍。同時，改變細紗捻度設定為50、60、70、80和90 T/10 cm，探究細紗捻度對成紗質量的影響。在細紗試驗過程中適當降低錠速和前羅拉轉速，有利于牽伸穩定，降低細紗斷頭，設定理論錠速較低為11 000 r/min。具體細紗試驗工序工藝參數如表4所示。

表4 細紗工序工藝試驗參數

1.4 試驗測試方法

1.4.1 阻燃聚酯纖維回潮率

參照標準GB/T 3503—2008進行短纖維的回潮率測試。

1.4.2 阻燃聚酯纖維比電阻

參照標準GB/T 14342—1993進行短纖維的比電阻測試，采用YG321型纖維比電阻儀進行測試。

1.4.3 阻燃聚酯纖維拉伸性能

參照標準GB/T 14337—2008中“斷裂強力和斷裂伸長測定方法”。

1.4.4 紗線的線密度

采用YG068型縷紗測長機，通過測量紗線的百米克重(克/百米)，且多次測量取平均值，計算出紗線的線密度，計算公式如下：

ρ=10×M

式中：ρ為線密度，tex；M為紗線的百米克重，g/100 m。

1.4.5 紗線的強度

采用YG063T型全自動單紗強力儀測試紗線單紗強度和拉伸性能，設置張力系數為0.5 cN/tex，拉伸速度為500 mm/min，共測十二管紗，每管紗測10次，取平均值。

1.4.6 紗線的條干與毛羽值

采用ME100型USTER條干儀測試阻燃聚酯紗線、粗紗和棉條的條干均勻度，選取使用適合的烏斯特公報作為參照，紗線測試速度設定為400 m/min，測試時間為1 min，而粗紗和棉條測試速度為50 m/min，測試時間為5 min，其中棉條測兩次取平均值，粗紗測四筒，每筒測一次取平均值。

1.4.7 紗線的摩擦性能

采用USTER ZWEIGLE 5摩擦儀測試紗線與金屬的摩擦系數，測試速度為200 m/min，測試時間為30 s，取6管細紗，每管測一次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 阻燃聚酯纖維的性能分析

阻燃聚酯纖維的性能分析主要從以下幾個方面進行測試和評價。其中，纖維回潮率是表征纖維吸濕性和含濕量的重要指標。纖維的吸濕性極大地影響著其物理機械性能、后續紡織加工性能、織物使用性能以及穿著舒適性等。纖維的比電阻不僅是纖維電學性能的一個重要指標，而且它也是評價纖維可紡性能的一個重要依據。纖維在紡紗過程中因摩擦而產生靜電，靜電電荷如果不能及時地逸散，在纖維表面形成積聚，就會出現纖維粘連和纖維纏繞羅拉的現象，從而影響紡紗工序的運轉。纖維的斷裂強度和斷裂伸長兩個指標用來衡量纖維的拉伸性能。將阻燃聚酯纖維的性能與普通聚酯纖維性能進行對比，結果如表5所示。

表5 阻燃聚酯纖維與普通聚酯纖維的性能比較

從表5可以看出，阻燃聚酯纖維的回潮率、比電阻以及拉伸性能均比普通聚酯纖維高，這也導致阻燃聚酯纖維的抗靜電性能差，在紡紗試驗工序中靜電嚴重，容易纏輥堵管，這就要求嚴格控制好紡紗環境的溫濕度，并且設計好與之匹配的各個工序的紡紗工藝。

2.2 阻燃聚酯纖維的成紗工藝探究

紡紗過程采用小量試紡進行,對阻燃聚酯纖維進行了梳棉工序、并條工序(兩次并條)、粗紗工序和細紗工序，具體紡紗試驗工藝參數見試驗方法的表1至表4。本次阻燃聚酯纖維的紡紗試驗討論了紡紗關鍵工藝對成紗產品質量的影響，尤其是梳棉工序的蓋板速度、粗紗的捻系數和細紗工序的捻度參數對紡紗產品質量的影響。

2.2.1 蓋板速度對可紡性及產品質量的影響

在清梳聯工序中，由于阻燃滌綸短纖維膨脹性較大，纖維間抱合力較小，短絨較多，在梳理時要適當降低打手速度和刺輥速度，減少纖維的損傷。在試驗中采用160、180、200、220、240 mm/min的蓋板速度進行探究。蓋板速度對棉條條干不勻率及重量不勻率的影響如下圖所示。

由上圖可知，提高蓋板速度從160 mm/min到240 mm/min，不僅能改善棉條的重量不勻率，還能降低棉條的條干不勻率。在梳棉工序運行過程中，提高蓋板速度還快速地排除了短絨的不良影響，使得每根蓋板的蓋板花數量減少，分梳負荷減輕，梳理作用增強，但落棉率會增加，這提高了棉條的質量，對后續并條工序以及成紗質量都有著積極的影響。從圖1可以看出，蓋板速度從220 mm/min再提高到240 mm/min對棉條質量影響不大，且考慮到提高蓋板速度，其落棉率和原料消耗會增加，蓋板速度選擇220 mm/min較佳。

圖1 蓋板速度對棉條條干不勻率及重量不勻率的影響

2.2.2 粗紗工藝對可紡性和成紗質量的影響

在粗紗工序中通過改變關鍵工藝參數(粗紗捻度系數)來探究粗紗捻度對粗紗試驗運行以及成紗質量的影響，粗紗捻系數要根據纖維長度、線密度、粗紗定量、細紗后區工藝以及原料性質等因素而定。粗紗捻系數對粗紗工序中的絨板花以及粗紗條干的影響如圖2所示。

圖2 粗紗捻系數對粗紗條干不勻率及粗紗絨板花的影響

由圖可知，在粗紗捻系數為55～75時，粗紗絨板花隨粗紗捻系數的增大而減小，捻系數達到75之后，絨板花的量不再變化，粗紗的條干不勻率隨捻度的變化有較大波動，在捻系數為60和70時條干不勻率較小。粗紗捻系數過小，不利于粗紗成形和后續細紗工序中牽伸控制，粗紗捻系數過大，則會使得粗紗條干不勻增大，易出現“硬頭”現象。綜合粗紗試驗運行和粗紗質量，阻燃滌綸纖維的粗紗捻系數選擇70，粗紗條干均勻度得到改善的同時控制絨板花的產生。

粗紗捻系數不僅對粗紗質量有影響，還影響最終的成紗質量，粗紗捻系數與細紗斷裂強度和斷裂強度CV值的關系如圖3所示，該細紗試驗中細紗捻度為80 T/10 cm。

圖3 粗紗捻系數對成紗強度和斷裂強度CV值的影響

由圖可知，細紗的斷裂強度隨粗紗捻系數的增大而升高，當粗紗捻系數為80時，斷裂強度最大，斷裂強度CV值隨粗紗捻系數的提高先增大后減小再增大。阻燃滌綸纖維在進行紡紗試驗時，可根據紡制產品的用途來選擇紡紗試驗工藝。

2.2.3 細紗工藝對可紡性和成紗質量的影響

選取粗紗捻系數為70的粗紗進行紡制細紗試驗，通過改變細紗捻度來探究細紗捻度對成紗質量的影響，細紗的各項性能指標如表6所示。

表6 紗線性能指標及紡紗狀況表

從表中可以看出，細紗捻度為50～90 T/10 cm時，紗線實際纖度在18.64～19.3 dtex，紗線條干不勻率為11.38%～12.06%，斷裂強度為3.02～3.36 cN/dtex，斷裂強度CV值為6.7%～8.9%，斷裂伸長率在12%～13.6%，斷裂伸長率CV值在5.2%～6.7%，紗線與金屬動摩擦系數為0.31%～0.35%，其CV為1.02%～3.26%。細紗捻度對紗線實際纖度影響不大，但對細紗條干不勻率、斷裂強度、斷裂伸長率以及紗線與金屬動摩擦系數CV均有較大影響，其關系分別如圖4中的a、b、c、d所示。

由圖4中的a所示，紗線的條干不勻率隨細紗捻度的增加先降低后升高，當細紗捻度為80 T/10 cm時，紗線的條干不勻率達到最低值為11.38%。紗線一開始隨捻度的升高，纖維間的抱合力增強，卷繞和包纏作用變大，使得條干均勻度提高，而隨著捻度的進一步升高，使得須條間的粗細差異增大，導致條干均勻度下降。b和c為細紗捻度對紗線機械性能的影響，由b可知，紗線的斷裂強度總體上隨捻度的升高而增大，在細紗捻度在60～90 T/10 cm時，紗線強力迅速提高，這主要是由于細紗捻度越大，紗線越緊實，纖維發生斷裂時滑脫纖維受到的摩擦力較大，纖維不易滑脫。在細紗捻度在50～80 T/10 cm時，紗線斷裂強度的CV值波動變化不大，但當捻度超過80 T/10 cm時，紗線斷裂強度的CV值迅速增大，這是由于捻度過大會增加紗條內外層纖維應力的分布不勻，使得斷裂強度的CV值增大。由c可知，紗線的斷裂伸長率隨細紗捻度的增大而增大，且斷裂伸長率大CV值波動變化不大。從d可以看出，細紗捻度對紗線與金屬的摩擦系數影響很弱，紗線的摩擦系數主要由紗線本身的性質決定，包括紗線材質以及油劑種類和用量等等，本次試驗是阻燃滌綸纖維的純紡試驗，因此紗線的摩擦系數保持在相近的水平，而紗線表面形態的差異則導致紗線的摩擦系數CV值隨捻度的變化波動較大。

(a) 細紗條干不勻率

(b) 細紗斷裂強度和CV值

(c) 細紗斷裂伸長率和CV值

(d) 細紗與金屬的摩擦系數和CV值圖4 細紗捻度對成紗質量的影響

阻燃滌綸纖維在紡紗試驗過程中，由于其膨脹性大，抱合力較差，抗靜電性差，纖維拉伸性能較差，比普通滌綸纖維紡制難度大。在紡紗試驗過程中，梳棉工序的錫林和刺棍速度都適當調小，在并條工序中出現纏輥現象，主要是由于阻燃滌綸纖維的抗靜電性差，在牽伸時由于纖維和皮輥間摩擦產生靜電，使得纖維纏繞在皮輥上，通過增大并條隔距和提高紡紗試驗的濕度來防止纖維纏輥。在粗紗工序中產生的絨板花較多需要通過調節隔距和改變粗紗工藝來控制絨板花的產生。同時，觀察到在細紗工序中，產生一定量的白粉，這有可能是紡絲油劑和紗線本身經過摩擦脫落，這將對生產有一定的影響，在后期的該類產品的紡制生產試驗中要加以關注和改進。

3 結 論

a) 對阻燃聚酯纖維和普通聚酯纖維的性能進行測試和比較，發現阻燃聚酯纖維的回潮率、比電阻以及拉伸性能均比普通聚酯纖維低，其膨脹性大，抱合力較差，抗靜電性能較差。

b) 對阻燃聚酯纖維進行紡紗試驗，紡制難度雖大于普通聚酯纖維，但仍具有較好的可紡性，通過工藝調整，可獲得質量較好的紗線。

c) 對阻燃聚酯纖維紡紗工藝的關鍵參數進行探究，討論了蓋板速度、粗紗捻系數和細紗捻度對紡紗運行和成紗質量的影響。其中棉條質量隨蓋板速度的提高而得到改善。粗紗條干均勻性和細紗斷裂強度均隨粗紗捻系數的增大而增大，粗紗絨板花隨粗紗捻系數有較大的波動。細紗捻度對成紗質量(條干均勻度、機械性能和紗線摩擦系數)有較大的影響。

d) 在對此類產品進行紡紗生產和試驗中，要嚴格控制紡制過程中的靜電，同時要關注細紗工序中產生的白粉情況。